分離工程第三章1

1、傳質(zhì)分離工程傳質(zhì)分離工程劉 豐第三章第三章 氣液傳質(zhì)分離過(guò)程氣液傳質(zhì)分離過(guò)程本章內(nèi)容本章內(nèi)容 3.1 3.1 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量 3.2 3.2 多組分精餾多組分精餾 3.3 3.3 特殊精餾特殊精餾 3.4 3.4 間歇精餾間歇精餾 3.5 3.5 吸收與解吸吸收與解吸雙組分和多組分精餾的異同雙組分和多組分精餾的異同相同點(diǎn)相同點(diǎn)：基本原理一致基本原理一致主要工具相同：物料衡算，熱衡衡算，相平衡關(guān)系主要工具相同：物料衡算，熱衡衡算，相平衡關(guān)系不同點(diǎn)不同點(diǎn)：雙組分常用圖解法雙組分常用圖解法多組分常用多組分常用簡(jiǎn)捷法簡(jiǎn)捷法嚴(yán)格計(jì)算法（計(jì)算機(jī)算嚴(yán)格計(jì)算法（計(jì)算機(jī)算）精餾是化工生產(chǎn)中常用的分離方法精餾是

2、化工生產(chǎn)中常用的分離方法 化工生產(chǎn)實(shí)際中，遇到的多是化工生產(chǎn)實(shí)際中，遇到的多是組分?jǐn)?shù)組分?jǐn)?shù)C2或復(fù)雜物系的分或復(fù)雜物系的分離和提純問題。離和提純問題。 對(duì)多組分分離裝置的計(jì)算，就意味著，涉及到的對(duì)多組分分離裝置的計(jì)算，就意味著，涉及到的變量多變量多，就需要用聯(lián)立或者迭代法解很多獨(dú)立方程，并且需要規(guī)定足夠就需要用聯(lián)立或者迭代法解很多獨(dú)立方程，并且需要規(guī)定足夠多的多的設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量，使得，使得未知變量未知變量的數(shù)目正好等于的數(shù)目正好等于獨(dú)立方程獨(dú)立方程數(shù)。數(shù)。 到底需要規(guī)定多少設(shè)計(jì)變量才能唯一確定出其他各個(gè)物理到底需要規(guī)定多少設(shè)計(jì)變量才能唯一確定出其他各個(gè)物理量的值？量的值？如何去規(guī)定設(shè)計(jì)變量？

3、如何去規(guī)定設(shè)計(jì)變量？這通常是這通常是分離計(jì)算分離計(jì)算中，第一步中，第一步就涉及到的問題。就涉及到的問題。3.1 3.1 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量Independent Design VariablesIndependent Design Variables物理量：物理量： 流率、濃度、溫度（物流、系統(tǒng)）、壓力、熱流率、濃度、溫度（物流、系統(tǒng)）、壓力、熱負(fù)荷、機(jī)械功、傳熱面積、理論板數(shù)等。負(fù)荷、機(jī)械功、傳熱面積、理論板數(shù)等。 設(shè)計(jì)前需預(yù)先給定數(shù)值的變量稱為設(shè)計(jì)前需預(yù)先給定數(shù)值的變量稱為設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量數(shù)設(shè)計(jì)變量數(shù)。例如：兩組分精餾，一股進(jìn)料，只有頂、釜采出，

4、例如：兩組分精餾，一股進(jìn)料，只有頂、釜采出，則很簡(jiǎn)單，但對(duì)于多線采出等復(fù)雜情況，則需知道則很簡(jiǎn)單，但對(duì)于多線采出等復(fù)雜情況，則需知道確定的方法。確定的方法。設(shè)計(jì)前需給定數(shù)值的變量設(shè)計(jì)前需給定數(shù)值的變量 Total condenserReflux drum Top stage Bottom stage Feed stage Overhead vaporFeed stream flow rateA concentration in feedFeed condition in distillationpressureA or B concentration in distillateA or B r

5、ecovery ratio in bottomsReflux ratioNumber of theoretical stages (feed stage location)Heat duties (total condenser & reboiler)calculationKnown variablesSpecified variables已知變量規(guī)定變量設(shè)計(jì)變量數(shù)ND: independent design variables變量總數(shù)NV: all pertinent variables約束關(guān)系數(shù)Nc: the total number of independent equations re

6、lating the variables強(qiáng)度變量：intensive variables, such as temperature, pressure, concentration容度變量：extensive variables, such as stream flow rate, heat transfer rate設(shè)備參數(shù)：equipment parameters, such as the number of equilibrium stages確定設(shè)計(jì)變量數(shù)遵循的一般原則：確定設(shè)計(jì)變量數(shù)遵循的一般原則： C CV VD DN NN NN N- -= =設(shè)計(jì)變量數(shù)設(shè)計(jì)變量數(shù) 系統(tǒng)的系統(tǒng)的總

7、變量數(shù)總變量數(shù) 變量之間的變量之間的約束關(guān)系數(shù)約束關(guān)系數(shù) bzyxazyx27舉例舉例:123iCvNNN則其中：VN出入物流變量數(shù)能量交換數(shù)（熱、功）出入物流變量數(shù)能量交換數(shù)（熱、功） (1)(1)物流變量數(shù)物流變量數(shù) 任一物流的自由度任一物流的自由度：2 P P- - Cf組分?jǐn)?shù)組分?jǐn)?shù) 相數(shù)相數(shù) 對(duì)于單相流股：對(duì)于單相流股：1 P P1 Cf完全描述一個(gè)流動(dòng)流股還應(yīng)加上該流股的流率。完全描述一個(gè)流動(dòng)流股還應(yīng)加上該流股的流率。因此對(duì)于任一單相流股獨(dú)立變量數(shù)：因此對(duì)于任一單相流股獨(dú)立變量數(shù)：21) 1( CCNV(2)(2)能量交換數(shù)能量交換數(shù) 系統(tǒng)與環(huán)境間能量交換數(shù)的確定：有一股熱量交系統(tǒng)與

8、環(huán)境間能量交換數(shù)的確定：有一股熱量交換，增加一個(gè)變量數(shù)。既有一股熱量交換，又有換，增加一個(gè)變量數(shù)。既有一股熱量交換，又有一股功交換時(shí)，應(yīng)增加兩個(gè)變量數(shù)。一股功交換時(shí)，應(yīng)增加兩個(gè)變量數(shù)。 系系統(tǒng)統(tǒng)的的總總變變量量數(shù)數(shù)CN依據(jù)約束關(guān)系式依據(jù)約束關(guān)系式(1)(1)物料衡算式物料衡算式 有有C C個(gè)組分的系統(tǒng)，能夠建立個(gè)組分的系統(tǒng)，能夠建立C C個(gè)物料衡算式。個(gè)物料衡算式。(2)(2)能量衡算式能量衡算式 (3)(3)相平衡關(guān)系式相平衡關(guān)系式 (4)(4)化學(xué)反應(yīng)平衡式化學(xué)反應(yīng)平衡式 (5)(5)內(nèi)在關(guān)系式內(nèi)在關(guān)系式 每個(gè)系統(tǒng)只有每個(gè)系統(tǒng)只有1 1個(gè)能量衡算式。個(gè)能量衡算式。根據(jù)相平衡條件根據(jù)相平衡條

9、件( (逸度相等、壓力相等、溫度逸度相等、壓力相等、溫度相等相等) )能夠建立能夠建立 C(C(P P-1)+2 1)+2 個(gè)相平衡關(guān)系式。個(gè)相平衡關(guān)系式。對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù)為對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù)為0 0。通常指已約定的關(guān)系，或者設(shè)備為了達(dá)到應(yīng)有的效果，還需要滿足的通常指已約定的關(guān)系，或者設(shè)備為了達(dá)到應(yīng)有的效果，還需要滿足的關(guān)系。如關(guān)系。如物料間的溫度差物料間的溫度差、壓力降的關(guān)系式壓力降的關(guān)系式等。等。約定的關(guān)系，如：物料溫度、壓力相等。約定的關(guān)系，如：物料溫度、壓力相等。約約束束關(guān)關(guān)系系數(shù)數(shù)3.1.1單元的設(shè)計(jì)變量單元的設(shè)計(jì)變量Design varia

10、bles for elements 一個(gè)化工流程由很多裝置組成，而每個(gè)裝置又可以分一個(gè)化工流程由很多裝置組成，而每個(gè)裝置又可以分解為多個(gè)進(jìn)行簡(jiǎn)單過(guò)程的單元。解為多個(gè)進(jìn)行簡(jiǎn)單過(guò)程的單元。確定單元的設(shè)計(jì)變量遵循前述的一般原則即可：確定單元的設(shè)計(jì)變量遵循前述的一般原則即可：?jiǎn)卧獑卧b置裝置流程流程eceveDNNN- - 例1. 絕熱分配器絕熱分配器 出入物流變量數(shù)：出入物流變量數(shù)：LL1L2（C+2C+2）3 3能量交換數(shù)：能量交換數(shù)：0 0+)+)NvNv = 3C+6 = 3C+6物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)

11、系式：內(nèi)在關(guān)系式：C C1 10 00 0L L1 1和和L L2 2的的T T、P P、組分濃度相等、組分濃度相等 2 2C-1C-1NcNc = 2C+2 = 2C+2N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VNeCNe設(shè)計(jì)變?cè)O(shè)計(jì)變量N ND D可進(jìn)進(jìn)一步分為為： 固定設(shè)計(jì)變量固定設(shè)計(jì)變量N Nx x可調(diào)設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量N Na aN Nx x = = 進(jìn)料物流變量數(shù)系統(tǒng)的壓力進(jìn)料物流變量數(shù)系統(tǒng)的壓力固定設(shè)計(jì)變量固定設(shè)計(jì)變量N Nx x = = 進(jìn)料壓力（進(jìn)料壓力（C+2C+2）+1+1LL1L2分配器分配器可調(diào)設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量N N

12、a a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1分配比分配比N ND D- -N Nx xeaexeDNNN例2. 產(chǎn)產(chǎn)物為兩為兩相的全凝器 出入物流變量數(shù)：出入物流變量數(shù)：（C+2C+2）3 3能量交換數(shù)：能量交換數(shù)：1 1+)+)NvNv = 3C+7 = 3C+7物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：內(nèi)在關(guān)系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = = N N

13、v ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VL1L2QVNeCNe固定設(shè)計(jì)變量固定設(shè)計(jì)變量N Nx x = = 進(jìn)料壓力（進(jìn)料壓力（C+2C+2）+1+1可調(diào)設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q 產(chǎn)物為兩相的全凝器產(chǎn)物為兩相的全凝器 如單元溫度或引入的冷量如單元溫度或引入的冷量例3. 絕熱絕熱操作的簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單平衡級(jí)級(jí) 出入物流變量數(shù)：出入物流變量數(shù)：（C+2C+2）4 4能量交換數(shù)：能量交換數(shù)：0 0+)+)NvNv = 4C+8 = 4C+8物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能

14、量衡算式：相平衡關(guān)系式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：內(nèi)在關(guān)系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+5 = 2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)+)固定設(shè)計(jì)變量固定設(shè)計(jì)變量N Nx x = = 進(jìn)料壓力進(jìn)料壓力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可調(diào)設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(2C+5)-(2C+5)=0=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0 絕熱

15、操作的簡(jiǎn)單平衡級(jí)絕熱操作的簡(jiǎn)單平衡級(jí) 例4. 有側(cè)線側(cè)線采出的平衡級(jí)級(jí) 出入物流變量數(shù)：出入物流變量數(shù)：（C+2C+2）5 5能量交換數(shù)：能量交換數(shù)：0 0+)+)NvNv = 5C+10 = 5C+10物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：內(nèi)在關(guān)系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 0C+1C+1NcNc = 3C+4 = 3C+4N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+6 = 2C+6VNeCNe+)+)V0V1L1L0S固定設(shè)計(jì)變量固定設(shè)

16、計(jì)變量N Nx x = = 進(jìn)料壓力進(jìn)料壓力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可調(diào)設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量N Na a = = N Ni i- -N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有側(cè)線采出的平衡級(jí)有側(cè)線采出的平衡級(jí) 側(cè)采量側(cè)采量思考題思考題1：混和器的設(shè)計(jì)變量數(shù)：混和器的設(shè)計(jì)變量數(shù)F3F1F2思考題思考題2：再沸器的設(shè)計(jì)變量數(shù)：再沸器的設(shè)計(jì)變量數(shù)LVLQ掌握掌握p58-59p58-59表表3-13-1由單單元設(shè)計(jì)變?cè)O(shè)計(jì)變量確定：ucNrNeiNuiN式式連連接接單單元元間間物物流流產(chǎn)產(chǎn)生生等等重重復(fù)復(fù)使使用用的的單單元元數(shù)數(shù)-

17、 - uiN重復(fù)使用一種為1前面進(jìn)等前面進(jìn)等于后面出于后面出例例. . 簡(jiǎn)單吸收塔（簡(jiǎn)單吸收塔（N N塊理論板串級(jí)）塊理論板串級(jí)）VN1NLN+1L1V0變變量量數(shù)數(shù)相相等等股股汽汽、液液流流量量為為多多次次重重復(fù)復(fù)使使用用理理論論板板：）（：查查表表)1(:1)(525213- - NNNCNNCNuCreiei3.1.2 設(shè)備的設(shè)計(jì)變量Design variables for units 吸收塔設(shè)計(jì)變量：吸收塔設(shè)計(jì)變量： 指定為理論板數(shù)指定為理論板數(shù)或關(guān)鍵組分吸收率或關(guān)鍵組分吸收率14222)2(52)2(2)1(1)52( - - - - - - - uxuiuauxNNNNCNCcNN

18、CCNCNuCNrNeiNuiN）（每級(jí)壓力每級(jí)壓力進(jìn)料變量數(shù)進(jìn)料變量數(shù)其中：其中：查表31：2MM+1M+2NFDW=L110C+N+27C+4再沸器2C+(M-1)+5(M-1)板平衡串級(jí)3C+7進(jìn)料板2C+(N-M-1)+5N-(M+1)板平衡串級(jí)C+4回流分配器C+4全凝器單元 eiN 9股單元物流數(shù)；股單元物流數(shù)；54229)189()2710(189)2(9 - - - - uxuiuauxuiuCNNNNCNCNNCCNCNCCN）（其其中中：故故：:uxN進(jìn)料C+2每級(jí)壓力（包括再沸器）N全凝器壓力1回流分配器壓力1合計(jì)C+N+45合計(jì)11（D/F）1進(jìn)料位置1理論板數(shù)1回流溫度）（DLN 1 :uaN 對(duì)精餾塔歸納出簡(jiǎn)便、可靠的對(duì)精餾塔歸納出簡(jiǎn)便、可靠的 確定設(shè)計(jì)變量的方法：確定設(shè)計(jì)變量的方法： （1 1）按每一單相物流有（）按每一單相物流有（C+2C+2）個(gè)變）個(gè)變 量，量， 計(jì)算由進(jìn)料物流所確定的固計(jì)算由進(jìn)料物流所確定的固 定設(shè)計(jì)變量數(shù)。定設(shè)計(jì)變量數(shù)。 （2 2）確定裝置中具有不同壓力的數(shù)目。）確定裝置中具有不同壓力的數(shù)目。 （3 3）上述兩項(xiàng)之和即為裝置的固定設(shè)計(jì)）上述兩項(xiàng)之和即為裝置的固定設(shè)計(jì)變量數(shù)。變量數(shù)。（4 4）將串級(jí)單元數(shù)目、分配器的數(shù)目、側(cè)線采出單）將串級(jí)單元數(shù)目、分